- السبيكة المعدنية الجديدة V555 يمكنها تحمل ضغط 600 ميغاباسكال عند درجة حرارة الغرفة.
- تم تصميم هذه السبيكة لمفاعلات الانشطار النووي، وقد اجتازت الاختبارات الأولية.
- طور فريق البحث عملية تصميم سبيكة قوية من ثمانية خطوات لاختيار المواد.
- يمكن إعادة تدوير مادة V555 لتقليل الفاقد خلال عملية التجارب.
طور فريق بحث أمريكي سبيكة معدنية جديدة يمكنها تحمل ضغط يصل إلى 600 ميغاباسكال (MPa) عند درجة حرارة الغرفة، تم تصميمها خصيصًا لمفاعلات الانشطار النووي. تُعرف هذه السبيكة التجريبية باسم V555، وتم تطويرها من قبل مختبر باسيفيك نورث ويست الوطني (PNNL) التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (DOE). بعد اختبار ما يقرب من 1,000 تركيبة معدنية محتملة، تم تحديد التركيبة الجديدة الأكثر وعدًا. لاختيار، محاكاة، وتحسين المواد بسرعة، استخدم العلماء طريقة حسابية تُعرف بتصميم السبيكة القوي (RAD).
تساعد هذه الطريقة في تحديد المواد القادرة على تحمل درجات الحرارة الشديدة، الإشعاع، والضغط الميكانيكي داخل المفاعل النووي. أفاد مختبر PNNL بأن السبيكة قد اجتازت الاختبارات الأولية في درجة حرارة الغرفة.
تصميم وتطوير السبيكة الجديدة
قال عالم المواد ورئيس البحث الدكتور عثمان العطواني: "تقدم هذه الدراسة مسارًا لاستكشاف وتقييم مواد أوسع للمجتمع النووي في أنظمة الطاقة النووية المستقبلية." تشمل المواد التقليدية المستخدمة في التغليف الفولاذ والسبائك المعتمدة على الزركونيوم، مثل Zircaloy. ومع ذلك، وفقًا للعطواني، فإن السبيكة الجديدة المكونة من عناصر رئيسية متعددة قد تتمتع بخصائص أفضل من خلال تغيير مكوناتها المعدنية. لاختيار عناصر مختلفة وإنشاء تركيبات جديدة بالكامل، طور هو وفريقه عملية RAD المكونة من ثمانية خطوات.
تقوم هذه العملية بتقييم المواد المحتملة بناءً على عدة متطلبات، مثل مقاومة الإشعاع وقابلية التصنيع.
استخدم عالم المواد في مختبر باسيفيك نورث ويست الوطني موهان نارتو آلة صهر قوسية لصنع عينات من السبيكة الجديدة V555. اعتمد الفريق في البداية على هذه الطريقة لتحديد حوالي 724 تركيبة سبيكة محتملة. ثم انتقلوا إلى نظام تقييم RAD لتقليص نطاق الاختيارات. تقوم أداة التقييم هذه بترتيب السبيكة بناءً على ملاءمتها للاستخدام في المفاعلات النووية. في النهاية، اختار الفريق V555 لإجراء اختبارات أولية في المختبر للتحقق من جدوى الطريقة الحسابية في التطبيق العملي. كشف الدكتور نارتو: "الممارسة القياسية هي استبدال هذا العنصر بذاك، واستبدال ذلك العنصر بهذا العنصر."
على الرغم من أن هذا قد ينتج عنه مواد جديدة من الناحية التقنية، إلا أنه لا يغير التركيبة الأساسية، وبالتالي تظل الخصائص الأساسية للمواد كما هي."
نتائج اختبار أداء V555
بعد اختيار V555، قام الفريق بإنتاج عينات لاختبار هيكلها وقوتها. وقد أدهشهم أن الاختبارات الأولية في درجة حرارة الغرفة أظهرت أن قوة الخضوع للسبيكة تبلغ حوالي 500 إلى 600 ميغاباسكال، مما يشير إلى مقدار الضغط الذي يمكن أن تتحمله المادة قبل أن تبدأ في التشوه الدائم. على الرغم من أن النتائج الأولية أظهرت قوة السبيكة، إلا أن هناك حاجة لمزيد من الاختبارات للتأكد من إمكانية استخدامها في المفاعلات النووية. كما اكتشف الفريق أن المواد غير المستخدمة من V555 يمكن إعادة تدويرها لإنتاج عينات إضافية دون التأثير على جودتها، مما يساعد في تقليل الفاقد من المواد خلال عملية الاختبار.
سيقوم الباحثون بمزيد من الفحص لأداء V555 تحت ظروف الحرارة، الإشعاع، وغيرها من ظروف المفاعل، واختبار تركيبات أخرى تم تحديدها من خلال عملية RAD. تم دعم هذه الدراسة من قبل مكتب الطاقة النووية التابع لوزارة الطاقة، من خلال برنامج المواد النووية الابتكاري. اختتم نارتو في البيان الصحفي قائلاً: "نأمل أن نظهر أنه إذا كانت لديك المعايير الصحيحة، يمكنك اختيار العناصر من الصفر وتصميم مواد مناسبة للتطبيقات النووية بشكل منهجي." تم نشر هذه الدراسة في مجلة Materials and Design.
أثر تصميم المواد الجديدة على التطبيقات النووية
يمثل تطوير سبيكة V555 تقدمًا مهمًا في أبحاث المواد النووية، حيث يركز تصميمها على مواجهة الظروف القاسية في المفاعلات النووية. من خلال عملية تصميم السبيكة القوية، تمكن فريق البحث من استكشاف تركيبات معدنية مختلفة بشكل منهجي، وهو أمر بالغ الأهمية لاختيار المواد في أنظمة الطاقة النووية المستقبلية. مع مزيد من الاختبارات على V555، إذا أثبتت فعاليتها في المفاعلات النووية، فقد تغير المواد التقليدية المستخدمة حاليًا في التغليف، مما يعزز من سلامة وكفاءة الطاقة النووية. بالإضافة إلى ذلك، فإن قابلية إعادة تدوير المواد تساعد أيضًا في تقليل هدر الموارد، مما يتماشى مع متطلبات التنمية المستدامة.